Qu'est-ce que l'agriculture en environnement contrôlé (CEA) ?

L’agriculture en environnement contrôlé (CEA) est une approche technologique de la production végétale dans laquelle les producteurs gèrent les conditions autour de la plante au lieu de dépendre du plein champ. Elle englobe la culture de végétaux dans des environnements de culture protégés tels que les serres, les fermes verticales ou les chambres de culture, avec une maîtrise totale ou partielle de la lumière, des nutriments, du dioxyde de carbone, de la température et de l’humidité. Ce guide explique le fonctionnement de la CEA, les systèmes d’agriculture en environnement contrôlé existants, la technologie sous-jacente, ainsi que les coûts et limites que les producteurs doivent évaluer. 

Qu’est-ce que l’agriculture en environnement contrôlé (CEA) ? 

La CEA est un modèle de production reposant sur un principe fondamental : mesurer l’environnement de culture, puis l’ajuster. Le terme couvre un large éventail de systèmes, allant des simples ombrières et tunnels aux serres et aux fermes verticales ou entièrement fermées. Certaines installations de pointe utilisent des contrôles automatisés par rétroaction pour l’éclairage, l’irrigation et la ventilation. 

Ses principales caractéristiques comprennent : 

• Une production se déroulant à l’intérieur d’une structure protégée 

• La surveillance et l’ajustement de variables environnementales sélectionnées, avec un niveau d’automatisation variant selon le système 

• Des systèmes pouvant être en sol ou hors-sol. L’hydroponie permet de cultiver des plantes sans sol à l’aide d’une solution nutritive aqueuse 

• Un degré de maîtrise allant de partiel à quasi total 

Les producteurs ne se limitent pas aux légumes feuilles comme la laitue, les épinards et le chou frisé. Les exemples de cultures en agriculture en environnement contrôlé incluent les herbes aromatiques, les micropousses, les tomates, les poivrons, les concombres, les fraises et autres petits fruits. Les installations de CEA peuvent également produire des champignons, tandis que les pépinières utilisent des environnements protégés pour élever des plants destinés au repiquage ultérieur. La CEA s’applique également, de manière ciblée, aux plantes ornementales et à celles cultivées pour des usages pharmaceutiques ou nutraceutiques.

Comment fonctionne l’agriculture en environnement contrôlé ? 

La CEA fonctionne selon une boucle de rétroaction. Des capteurs enregistrent les conditions dans la zone de culture ; un logiciel compare les relevés aux plages cibles pour la culture, et les équipements corrigent tout écart. Les paramètres les plus fréquemment gérés incluent : 

• Lumière : intensité, durée et, dans les systèmes d’intérieur, spectre issu d’appareils d’éclairage artificiel

• Climat : température de l’air, humidité relative et circulation de l’air 

• Dioxyde de carbone : enrichissement ou ventilation selon le stade de la culture 

• Eau et nutriments : volume d’apport, fréquence et concentration nutritive 

• Zone racinaire : conditions du substrat ou de la solution, incluant le drainage et la recirculation 

Certains systèmes hors-sol collectent et recirculent l’eau d’irrigation, tandis que d’autres évacuent l’eau de drainage. La recirculation dépend de la conception du système et de la gestion de la qualité de l’eau. Comme la plante, l’eau et l’atmosphère sont toutes mesurées, les exploitants peuvent comparer les données environnementales aux résultats des cultures et affiner leurs paramètres au fil du temps. 

Quels sont les principaux types de systèmes de CEA ? 

Un rapport du Congressional Research Service répertorie quatre approches de production sélectionnées : hydroponique, aéroponique, aquaponique et verticale (1). Les systèmes hydroponiques, mentionnés précédemment, cultivent les plantes dans une solution d’eau riche en nutriments au lieu de la terre. Les systèmes aéroponiques maintiennent les racines suspendues dans l’air et apportent l’eau et les nutriments sous forme de brumisation régulière. Les systèmes aquaponiques associent la production végétale à la pisciculture, de sorte que les nutriments issus des eaux usées des poissons nourrissent les plantes connectées. Les systèmes verticaux empilent les cultures en étages ou en tours surélevées, exploitant la hauteur plutôt que la surface au sol. Dans la pratique commerciale, la plupart des exploitations se divisent en deux catégories structurelles. 

Serres 

Les serres utilisent une structure transparente pour capter la lumière naturelle et intègrent des contrôles pour le chauffage, le refroidissement, la ventilation, l’ombrage et l’irrigation. Elles vont des tunnels simples aux installations de haute technologie dotées d’ordinateurs climatiques et d’éclairage d’appoint. 

• Demande énergétique d’éclairage plus faible, la lumière du soleil fournissant la majeure partie de la lumière 

• Très adaptées aux cultures fruitières telles que les tomates et les concombres 

• La régulation climatique reste dépendante de la météo locale et de la saison 

Fermes verticales et systèmes de culture d’intérieur 

Les systèmes verticaux cultivent les plantes en couches superposées ou en tours élevées. Les fermes intérieures s’affranchissent généralement de la lumière du soleil et dépendent d’installations LED, ce qui offre aux opérateurs un contrôle maximal sur l’environnement. 

• Maîtrise totale de la lumière, du climat et de la nutrition 

• Empreinte au sol réduite, adaptée aux sites urbains et périurbains

• Forte dépendance à l’électricité et aux équipements spécialisés 

Les systèmes aéroponiques et aquaponiques sont des variantes de ces formats. 

Quelles technologies soutiennent l’agriculture en environnement contrôlé ? 

La technologie de l’agriculture en environnement contrôlé combine plusieurs niveaux. Chaque niveau génère des données sur lesquelles s’appuie le niveau suivant. 

• Capteurs : mesurent la température, l’humidité, le dioxyde de carbone, la lumière, l’humidité du substrat, ainsi que les paramètres de qualité de l’eau comme le pH et la conductivité électrique 

• Régulateurs climatiques et d’irrigation : appliquent les points de consigne pour le chauffage, le refroidissement, la ventilation, la fertigation (apport de nutriments par l’irrigation) et le dosage 

• Systèmes d’éclairage : luminaires LED et programmes de variation adaptés aux besoins des cultures

• Automatisation et robotique : semis, repiquage, manutention des matières et assistance à la récolte

• Plateformes de données et IA : consolidation des mesures, détection des anomalies et aide à la décision pour l’irrigation, la nutrition et l’énergie 

Cette discipline requiert également une solide expertise. Les systèmes avancés de CEA fondés sur la technologie exigent des connaissances en ingénierie, en chimie, en sciences et physiologie végétales, en horticulture, en pathologie végétale, en entomologie et en informatique. Cette pluralité explique pourquoi le secteur attire aussi bien des agronomes que des ingénieurs et des spécialistes des données. 

Quels sont les avantages de la CEA pour les producteurs ? 

L’agriculture en environnement contrôlé peut offrir aux producteurs une plus grande maîtrise du rendement, de la qualité et du calendrier en protégeant les cultures des conditions extérieures et en gérant directement l’environnement de culture. Selon le système, cela peut prolonger la saison culturale ou permettre une production tout au long de l’année, et les formats hors-sol peuvent réduire les besoins en terres et en eau. 

• Protection contre les conditions extérieures : la CEA vise à protéger les cultures des aléas extérieurs et à maintenir des conditions de croissance optimales tout au long de leur développement. 

• Approvisionnement prolongé ou continu : selon la structure et le niveau technologique, la CEA peut allonger la saison de production ou permettre une production continue à l’année, tout en augmentant les rendements et en facilitant l’accès aux aliments locaux. 

• Qualité et régularité : la gestion des paramètres de croissance peut améliorer le rendement, la qualité et la constance des récoltes tout en limitant l’exposition aux ravageurs et aux stress environnementaux. 

• Efficacité d’utilisation de l’espace et de l’eau : les chercheurs de l’Université de Californie soulignent que la CEA hors-sol offre une meilleure efficacité et une consommation moindre des ressources en terres et en eau, notamment grâce à la recirculation continue de l’eau d’irrigation. 

• Traçabilité : les systèmes surveillés enregistrent les conditions de culture et les intrants, ce qui peut faciliter les obligations de conformité envers les acheteurs et distributeurs.

Quels sont les coûts et limites de l’agriculture en environnement contrôlé ? 

L’agriculture en environnement contrôlé réduit l’exposition à la variabilité climatique, mais engendre en contrepartie des risques opérationnels et financiers accrus. Selon le système, les exploitants supportent des coûts de structure, d’équipement, d’énergie et de main-d’œuvre, et la rentabilité dépend de la régularité avec laquelle l’installation atteint sa production prévisionnelle. 

• Intensité capitalistique : le Congressional Research Service souligne que ces opérations peuvent nécessiter des investissements lourds à forte intensité de capital. 

• Demande énergétique : l’éclairage, le chauffage, le refroidissement et la ventilation augmentent les besoins en énergie, qui varient selon le système. Les serres s’appuient largement sur le soleil pour la lumière, tandis que les fermes verticales intérieures dépendent beaucoup plus fortement de l’électricité. 

• Diversité des cultures : la production commerciale en CEA se concentre principalement sur les légumes feuilles, les herbes aromatiques, les cultures de plein champ palissées et les petits fruits. Presque toutes les cultures peuvent être cultivées en serre, mais les coûts de production rendent certaines espèces plus viables que d’autres, et les grandes cultures restent généralement produites en plein champ. 

• Exigences en compétences techniques : les systèmes avancés de CEA font appel à l’ingénierie, la chimie, la phytologie, l’horticulture, la pathologie végétale, l’entomologie et l’informatique, ce qui nécessite habituellement un personnel qualifié dans plusieurs disciplines. 

• Risque financier : des coûts fixes élevés impliquent que la rentabilité dépend d’une production régulière, de prix de l’énergie stables et d’acheteurs fiables ; une défaillance sur l’un de ces plans peut ainsi menacer la viabilité de l’installation. 

Le choix du site, la stratégie énergétique et une gestion rigoureuse des ressources peuvent déterminer la viabilité tout autant que la technologie de culture elle-même. 

Quelles entreprises et quels secteurs investissent dans la CEA ? 

Le marché de l’agriculture en environnement contrôlé ne forme pas une industrie unique. Il couvre l’ensemble de la chaîne de valeur, des producteurs et fournisseurs de technologies aux semenciers, détaillants et partenaires de distribution.  

Les principaux acteurs comprennent : 

• Les exploitants de serres et de fermes verticales : producteurs cultivant des légumes feuilles, des herbes, des cultures palissées et des petits fruits sous structures protégées 

• Les fournisseurs d’équipements et de technologies : fournisseurs d’éclairages LED, de régulations du climat et de l’irrigation, de capteurs et d’automatisations pour les serres et fermes 

• Les partenaires de distribution et de vente au détail : épiceries et distributeurs qui s’approvisionnent auprès des producteurs de CEA, créant ainsi les débouchés indispensables à la production 

Les parcours professionnels reflètent la même diversité. Les fonctions couvrent la production végétale, l’ingénierie des installations, la gestion de l’irrigation et du climat, la sécurité alimentaire, l’analyse de données et les ventes. Dans la mesure où les systèmes de CEA intègrent la biologie végétale, l’ingénierie et l’informatique, les emplois en agriculture en environnement contrôlé font souvent appel à des compétences transversales.

Comment les solutions d’agriculture intelligente soutiennent-elles les cultures en environnement contrôlé ? 

L’agriculture en environnement contrôlé repose sur la mesure de l’environnement de culture, avec un degré de surveillance variable selon les systèmes, et la valeur de ces données dépend de leur traduction en décisions opérationnelles. La gestion de l’eau et des nutriments en est une parfaite illustration. Les opérations d’irrigation et de fertigation peuvent influencer le rendement,  

les coûts d’intrants et, dans les systèmes drainés sans recyclage, le rejet de nutriments. Comme les zones racinaires hors-sol ne retiennent qu’un volume limité d’eau et de nutriments, un suivi précis devient indispensable à la bonne conduite de ces systèmes. 

Doktar Technologies réunit les mesures de terrain et l’aide à la décision numérique à travers les opérations agricoles, de l’unité de production individuelle à la chaîne d’approvisionnement agricole durable. En production sous serre sur sol, les mesures de l’humidité du sol et du climat permettent aux exploitants d’évaluer les besoins d’irrigation, l’analyse du sol oriente la planification des nutriments (incluant le choix du fertilisant et le calendrier d’épandage), et la surveillance des bioagresseurs optimise le calendrier et le ciblage des mesures de protection des cultures. La pertinence de chaque outil dépend du milieu de culture, de la configuration du site et des intégrations disponibles. 

Au-delà des sites de culture individuels, la Sustainability Platform de Doktar aide les programmes agricoles à structurer les données de terrain et à suivre les indicateurs de durabilité au fil du temps. Les producteurs et les partenaires de la chaîne d’approvisionnement doivent identifier les mesures de CEA nécessaires à collecter et définir la façon dont elles s’intégreront dans leurs processus de reporting. 

Foire aux questions sur l’agriculture en environnement contrôlé 

Quelles sont les cultures les mieux adaptées à la CEA ? 

Les légumes feuilles, les herbes aromatiques, les micropousses, les tomates, les concombres, les poivrons et les fraises figurent parmi les productions commerciales les plus courantes, car elles répondent particulièrement bien à une gestion environnementale précise. Les cultures palissées telles que les tomates, les poivrons et les concombres sont principalement produites sous serre, tandis que les légumes feuilles sont souvent cultivés dans des systèmes hors-sol tels que le NFT (technique sur film nutritif) ou la culture en eau profonde. La gamme complète des catégories de cultures est détaillée plus haut dans ce guide. Les grandes cultures comme le blé ou le maïs sont généralement conduites en plein champ. 

L’agriculture en environnement contrôlé est-elle plus durable que l’agriculture de plein champ ? 

Cela dépend du système et des indicateurs retenus. Les formats de CEA hors-sol peuvent réduire les besoins en surfaces et en eau, en particulier lorsque l’eau d’irrigation est recirculée. La demande énergétique, notamment liée à l’éclairage et au chauffage, compense en partie ce gain, et le bilan varie selon le système et la source d’énergie. Les résultats en matière de durabilité peuvent différer selon la culture, le site et la ressource considérée, et les comparaisons s’avèrent plus fiables lorsqu’elles s’appuient sur des données mesurées. 

Quelles sont les opportunités de carrière en CEA ? 

Les opportunités couvrent la production agricole, l’ingénierie des installations, la gestion de l’irrigation, la sécurité alimentaire, l’analyse des données et la commercialisation. L’agriculture d’intérieur est également reconnue comme un secteur générateur d’opportunités en matière de formation, d’emploi et de création d’entreprise. Dans la mesure où les systèmes avancés de CEA reposent sur plusieurs disciplines, les professionnels associant des compétences en sciences végétales, en ingénierie ou en analyse de données bénéficient d’un champ de perspectives élargi. 

L’agriculture en environnement contrôlé offre aux producteurs une meilleure maîtrise de l’environnement de développement des plantes, et les résultats dépendent en grande partie de la qualité des données qui sous-tendent chaque décision. La gestion de l’eau, de la nutrition et du climat détermine la capacité d’une installation à atteindre ses objectifs de rendement et de coûts, et un suivi régulier soutient ces résultats quel que soit le niveau technologique des systèmes. 

Pour les exploitations sous serres en sol, les outils d’analyse de sol et de suivi au champ de Doktar peuvent guider les choix concernant les nutriments, l’humidité et la protection des cultures, lorsque les produits sont adaptés à l’agencement du site. Sa Sustainability Platform aide les partenaires de la chaîne d’approvisionnement agricole à organiser et centraliser les données d’exploitation pour les rapports d’impact. Il appartient aux producteurs d’évaluer les capteurs et les intégrations requis pour leur propre système de CEA. 

Référence(s) : 

(1) Johnson, R. (2023, 31 août). Controlled environment agriculture (CEA) production (CRS In  Focus IF12485, Version 1). Congressional Research Service. https://www.congress.gov/crs product/IF12485